電路第1章PPT

1、電電 路路n5學(xué)分學(xué)分n80學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)n所有電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程所有電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程n理論性；工程性理論性；工程性1第一章第一章電路模型和電路定律電路模型和電路定律2 重點(diǎn)：重點(diǎn)：n1、參考方向、參考方向Reference directionn2、幾種元件的基本概念幾種元件的基本概念n3、基爾霍夫定律、基爾霍夫定律Kirchhoff s Law3難點(diǎn)：難點(diǎn)：n1、 深入理解基爾霍夫定律的重要性深入理解基爾霍夫定律的重要性n2、 靈活應(yīng)用靈活應(yīng)用L、C伏安特性分析相關(guān)的問(wèn)題伏安特性分析相關(guān)的問(wèn)題n3、 熟練地解決含有受控源的簡(jiǎn)單電路計(jì)算熟練地解決含有受控源的簡(jiǎn)單電路計(jì)算n在本章中要著重解決

2、電路問(wèn)題的兩個(gè)基本約束：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束及元件約束。n電路的狀態(tài)取決于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)中元件或電路部分本身的特性。41-1 電路及電路模型電路及電路模型n本書(shū)研究的內(nèi)容為電路模型而不是具體的電路.n電路模型是基于設(shè)備的電磁特性用理想電路元件組建起來(lái)的n研究電路模型的電磁特性在一定精度下可以逼近原電路的電磁特性.51.1.1 電路電路1.定義：由若干電氣設(shè)備組成，能維持電流流通的路徑。2.組成：電源、用電設(shè)備（負(fù)載）、連接導(dǎo)線63.作用：n1)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換-供電電路n2)進(jìn)行電信號(hào)的加工和處理-音響的放大電路71.1.2 集總元件與集總假設(shè)集總元件與集總假設(shè) (Lumped elemen

3、t /Lumped assumption)1電路研究的理想化假設(shè)n在一定的條件下，電路中的電磁現(xiàn)象可以分別研究，電磁現(xiàn)象可以分別研究，即可以用集總元件來(lái)構(gòu)成模型集總元件來(lái)構(gòu)成模型，每一種集總元件均只表現(xiàn)一種基本現(xiàn)象，且可以用數(shù)學(xué)方法精確定義。1)1)設(shè)備的電磁特性設(shè)備的電磁特性n產(chǎn)生能量；n消耗電能；n存儲(chǔ)電場(chǎng)能量；n存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量。82)理想電路元件理想電路元件引入原因:為了表示設(shè)備的電磁特性,定義:假想的只反映一種電磁特性的元件n理想電池元件產(chǎn)生電能；n理想電阻元件-消耗電能；n理想電容元件-存儲(chǔ)電場(chǎng)能量；n理想電感元件-存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量。92采用“集總”概念的條件n只有在輻射能量忽略不計(jì)的情況

4、下才能采用“集總”的概念，即要求器件的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。n注意:元件能否被看作集總元件取決于兩個(gè)方面：即器件的尺寸和工作的頻率。n本來(lái)在中低頻情況下可以用R、L、C等理想模型描述的器件，在高頻情況下就不再滿足集總假設(shè)。101.1.3 電路模型電路模型 有了理想電路元件，實(shí)際電路元件就可以根據(jù)它的電磁特性用理想電路元件的組合構(gòu)成。1.實(shí)際電路元件的表示如：實(shí)際的電池元件，工作時(shí)電磁特性表現(xiàn)為提供能量的同時(shí)也會(huì)發(fā)熱。可表示為理想電池元件和理想電阻元件的組合。實(shí)際的電感線圈：R E L R 112、電路模型、電路模型n定義：由理想電路元件組成的一種抽象電路，稱(chēng)為實(shí)際電路的電路模型

5、，簡(jiǎn)稱(chēng)為電路。n手電筒電路的電路模型：注意：本書(shū)研究的對(duì)象是電路模型而不是實(shí)際的電路。121-2 電路變量 n描述電現(xiàn)象的基本（原始）變量為電荷和能量，為了便于描述電路狀態(tài)，從電荷和能量引入了電壓、電流、功率等電量，它們易于測(cè)量與計(jì)算。131.2.1 電流電流current1.定義： 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量。習(xí)慣上稱(chēng)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向規(guī)定為電流的方向。 電流定義式為14 2.符號(hào)：i (或 I ) 3.單位：安（A） 4.分類(lèi)： 直流（直流（direct current，），）簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)dc或或DC電流的大小和方向不隨時(shí)間變化，也稱(chēng)恒定電流。可以用符號(hào)I 表示。 交流（交流（alterna

6、ting current），），簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)ac或或AC電流的大小和方向都隨時(shí)間變化，也稱(chēng)交變電流。可以用符號(hào)i 表示。151.2.2 電壓電壓voltage1.定義： a、b兩點(diǎn)間的電壓表征單位正電荷由a點(diǎn)轉(zhuǎn)移到b點(diǎn)時(shí)所獲得或失去的能量。其定義式為：如果正電荷從a轉(zhuǎn)移到b，獲得能量，則a點(diǎn)為低電位，b點(diǎn)為高電位，即a為負(fù)極，b為正極。2符號(hào)：u (或 U )3單位：伏特/V4.分類(lèi)：直流電壓與交流電壓161.2.3 參考方向（reference direction） 1參考方向概念的引入：求解電路過(guò)程中，常常出現(xiàn)許多的未知電量（電壓或電流），其方向不能預(yù)先確定，因此需要任意選定電壓電流任意選定電

7、壓電流的方向作為其的方向作為其參考方向參考方向，以利于解題。，以利于解題。規(guī)定規(guī)定:如果電壓或電流的實(shí)際方向與參考方向一致則其值為如果電壓或電流的實(shí)際方向與參考方向一致則其值為正，若相反，則為負(fù)。正，若相反，則為負(fù)。這樣我們就可以用計(jì)算得出值的正負(fù)與原來(lái)設(shè)定的參考方向一起來(lái)確定電量的實(shí)際方向。17n2.定義n為計(jì)算電路方便，人為地任意假設(shè)電流或電壓人為地任意假設(shè)電流或電壓方向并標(biāo)在電路圖中，這個(gè)方向稱(chēng)為方向并標(biāo)在電路圖中，這個(gè)方向稱(chēng)為參考方向參考方向。n說(shuō)明：說(shuō)明：n1）參考方向?yàn)槿我庠O(shè)定參考方向?yàn)槿我庠O(shè)定，因此可能與實(shí)際方向相同也可能相反，相同則計(jì)算結(jié)果為正，相反則計(jì)算結(jié)果為負(fù)；n即有了參考

8、方向后計(jì)算結(jié)果為代數(shù)值，結(jié)果為計(jì)算結(jié)果為代數(shù)值，結(jié)果為正說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向相同，結(jié)果為負(fù)說(shuō)正說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向相同，結(jié)果為負(fù)說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向相反。明參考方向與實(shí)際方向相反。182）解題時(shí)必須首先設(shè)定參考方向解題時(shí)必須首先設(shè)定參考方向，否則計(jì)算結(jié)果沒(méi)有意義。3）參考方向一旦選定則求解過(guò)程中不能任意修改。參考方向一旦選定則求解過(guò)程中不能任意修改。說(shuō)明：說(shuō)明：19說(shuō)明：關(guān)聯(lián)參考方向說(shuō)明：關(guān)聯(lián)參考方向/非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向n關(guān)聯(lián)參考方向：元件上所標(biāo)的電流和電壓的參考方向相同關(guān)聯(lián)參考方向：元件上所標(biāo)的電流和電壓的參考方向相同稱(chēng)為關(guān)聯(lián)參考方向；反之為非關(guān)聯(lián)參考方向。稱(chēng)為關(guān)聯(lián)參考方向；

9、反之為非關(guān)聯(lián)參考方向。除非已經(jīng)規(guī)定了參考方向，分析問(wèn)題時(shí)一般采用關(guān)聯(lián)參考除非已經(jīng)規(guī)定了參考方向，分析問(wèn)題時(shí)一般采用關(guān)聯(lián)參考方向，更符合習(xí)慣。方向，更符合習(xí)慣。3.參考方向的表示可使用箭頭或雙下標(biāo)兩種表示方式。例如：1iabv201.2.4 功率功率powern1定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能量的變化。n定義式為： 把能量傳輸（流動(dòng)）的方向稱(chēng)為功率的方向，消耗功率時(shí)功率為正，產(chǎn)生功率時(shí)功率為負(fù)。 2符號(hào)：p（ P ）3單位：瓦W21n4功率計(jì)算中應(yīng)注意若選取元件或電路部分的電壓v與電流i方向關(guān)聯(lián)計(jì)算得出的功率大于零，表示這一電路部分吸收能量，此時(shí)的p(t)稱(chēng)為吸收功率；若計(jì)算的功率小于零，則表示這一電路部分

10、產(chǎn)生能量，此時(shí)p(t)稱(chēng)為發(fā)出功率；若選取元件或電路部分的電壓v與電流i方向非關(guān)聯(lián)計(jì)算得出的功率大于零，表示這一電路部分產(chǎn)生能量，此時(shí)的p(t)稱(chēng)為發(fā)出功率；若計(jì)算的功率小于零，則表示這一電路部分吸收能量，此時(shí)p(t)稱(chēng)為吸收功率；22統(tǒng)一判斷依據(jù)功率的計(jì)算公式為：n當(dāng) 元 件 上 電 壓 電 流 為 關(guān) 聯(lián) 參 考 方 向 時(shí) ， p(t)=ui；當(dāng)元件上電壓電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，p(t)=-uin此時(shí): 若p(t)0時(shí)，則電路部分吸收能量，吸收功率；若p(t)0，則P0；說(shuō)明正電阻在電路中總是吸收功率的，因此把電阻歸為無(wú)源元件。284、開(kāi)路、短路n開(kāi)路：電阻的端電壓為任意值，流過(guò)的電流始

11、終為零；又稱(chēng)為斷路（OC)n短路：流過(guò)電阻的電流為任意值，電阻的端電壓始終為零；稱(chēng)為短路（SC)291.3.2 線性理想電容元件線性理想電容元件capacitor1.定義n任何一個(gè)二端元件，如果在任意時(shí)刻的電荷量和電壓之間的關(guān)系總可以由q - u平面上的一條過(guò)原點(diǎn)的直線來(lái)表示，則此二端元件稱(chēng)為線性理想電容元件。簡(jiǎn)稱(chēng)電容。單位：法拉F電容C表征元件儲(chǔ)存電荷的能力的參數(shù)，不隨電路情況變化的量。2.模型1）元件符號(hào)與圖形30n2）數(shù)學(xué)模型n q=cu 其中：q庫(kù)，u伏，稱(chēng)為庫(kù)伏特性 3.VCR關(guān)系 UI關(guān)聯(lián)：ic=dq/dt=cduc/dtUI非關(guān)聯(lián)：ic=-dq/dt=-cduc/dt314. 電

12、容元件的特性分析 n由電容的伏安（電容的伏安（u-i）關(guān)系為微分關(guān)系關(guān)系為微分關(guān)系，即：?？梢?jiàn)，電路中流過(guò)電容的電流的大小與其兩端電壓的變化率成正比，電壓變化越快，電流越大，反之越小。說(shuō)明：1）電容元件為動(dòng)態(tài)元件；2）電容元件隔直通交，通高（頻）阻低（頻）隔直通交，通高（頻）阻低（頻）。（i-u）的關(guān)系為積分關(guān)系的關(guān)系為積分關(guān)系。即 21)(1)()(12ttdttiCtutu由此可見(jiàn)，電容元件某一時(shí)刻的電壓不僅與該時(shí)刻流過(guò)電容的電流有關(guān)，還與初始時(shí)刻的電壓大小有關(guān)。可見(jiàn)電容是一種 “記憶”元件-記憶的變量為電壓。 32n對(duì)于任意線性時(shí)不變的正值電容，其功率為dtduCutitup)()(那么

13、從到時(shí)間內(nèi)，電容元件吸收的電能為0ttW)(21)(21022tCutCu也就是說(shuō)，當(dāng) 時(shí)，電容吸收能量 ，為充電過(guò)程；當(dāng) 時(shí)，電容放出能量 ，為放電過(guò)程。無(wú)論吸收還是放出能量，線性理想電容元件沒(méi)有能量無(wú)論吸收還是放出能量，線性理想電容元件沒(méi)有能量的消耗，所以歸為無(wú)源元件。的消耗，所以歸為無(wú)源元件。 0W0W5.功率分析336.總結(jié)： 電容為儲(chǔ)能元件，并不消耗電能; 電容為電壓記憶元件，其電壓與初始值有關(guān); 電容為動(dòng)態(tài)元件，其電壓電流為積分關(guān)系; 電容為電壓慣性元件,即電流為有限值時(shí),電壓不能躍變; 電容元件隔直通交，通高阻低;341.3.3 電感元件inductor 1.定義任何一個(gè)二端元件

14、，如果在任意時(shí)刻的磁通鏈和電流之間的關(guān)系，可以用由自感磁通鏈-電流（-i）平面上的一條過(guò)原點(diǎn)的直線來(lái)表示，則此二端元件稱(chēng)為線性理想電感元件。單位：亨利H2.模型1)元件符號(hào)與圖形 L i + u -圖圖 1-11 線 性 電 感 元 件 L 所 有 t i 圖圖 1-12 線線性性非非時(shí)時(shí)變變電電感感2）數(shù)學(xué)模型 = L i 其中： ：韋伯，i-：安培，關(guān)系曲線稱(chēng)為韋安特性。353.線性電感的伏安特性 ui關(guān)聯(lián)：線性電感的VCR關(guān)系為：。 ui非關(guān)聯(lián)：線性電感的VCR關(guān)系為：。dtdiLudtdiLu -36（1）由電感元件的VCR可見(jiàn)，電路中電感兩端的電壓的大小與流過(guò)它的電流的變化率成正比，

15、電流變化越快，電壓越高反之,-?？梢缘贸鼋Y(jié)論：電感元件也是一種動(dòng)態(tài)元件，它的特性為通直隔交，通低頻阻高頻通直隔交，通低頻阻高頻。（2）而（i- u ）關(guān)系為積分關(guān)系。即如果取初始時(shí)刻t1，可以得出結(jié)論：電感元件某一時(shí)刻流過(guò)的電流不僅與該時(shí)刻電感兩端的電壓有關(guān)，還與初始時(shí)刻的電流大小有關(guān)?？梢?jiàn)電感也是一種“記憶”元件。-記憶的是電流21)(1)()(12ttdttuLtiti4.電感元件的特性分析37dtdiLu5.功率分析對(duì)于任意線性時(shí)不變的正值電感，其功率為那么從到時(shí)間內(nèi)，電容元件吸收的電能為dtdiLititup)()(0tt)()(000)( )()( )( )( )(titittttd

16、iidddiLidiuW)(21)(21022tLitLi也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)，電感吸收能量，為充電過(guò)程；當(dāng)時(shí)，電感放出能量 ，為放電過(guò)程。0W0W386.總結(jié)：n電感為儲(chǔ)能元件，并不消耗電能；n電感為電流記憶元件，其電流與初始值有關(guān)；n電感為動(dòng)態(tài)元件，其電流電壓為積分關(guān)系；n電感為電流慣性元件，即電壓為有限值時(shí)，電流不能躍變；n電感元件通直隔交，通低阻高。39例題例題 )(Ai 1 t (s) 0 1 2 -2已知已知 ，流過(guò)該電容的電流波形如下圖所示，求初始電壓為0V時(shí)求：求：1波形23時(shí)的儲(chǔ)能)(tu)(tp，sst2140C=1F解：解： 1波形我們知道，因此可以先寫(xiě)出i(t)的函數(shù)方程：)(tustststtti221100 421)(，當(dāng)時(shí)，；而st10ttdtutut01)0()(0Vu1) 1 ( )(Ai 1 t (s) 0 1 2 -241 dttiCutut010當(dāng)時(shí)，而 當(dāng)時(shí)，st2144)4(1)42() 1 ()(2121ttxxdtxututtVu04242)2(2st20000)2()(2tdtutustststttttu22110044)(2，所以，函數(shù)為：波形為：)